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A 4 VG系列泵及其在静液压传动系统中的应用 于庆丽 。 王刚 安徽工业大学机械学院 摘要 讨论 A 4 V G系列泵的工作原理及其在静液压传动系统中的应用 ， 首先对静液压传动的 ； 定义、 工作原理、 组成形式及特点进行分析介绍， 然后对静液压传动中 常用A 4 V G 系 列泵的 组成、 特 ； I点、 工作原理进行分析说明， 重点对 A 4 V G系列泵中各功能单元的作用及 A 4 V G系列泵各种变量控 I 制方式的 实现原 理和 基本调节方法进 行详细分析， 最后对A 4 V G系 列泵在静液 压传动系统中 的一 个 应用实例进行原理说明。 、． ．◆-．一．◆．◆- ．-◆．◆．◆-．_◆．◆．◆．◆。◆．．◆．◆．◆．．◆．◆．◆．◆ ◆．◆．◆．． ． ． ． ◆．◆．◆．◆．◆．．． ， 关键词 静液压传动 ； A4 v G 泵； D A控制 静液压传动 H y d r o S t a t i c T r a n s m i s s i o n ， H S T 系 统集液压泵、 马达于一体， 将机械能通过液压泵转 化为液压能 ， 又通过液压马达将液压能转化为机械 能f11。静液压传动属于液压传动中闭式容积调速范 畴， 是集成化、 一体化程度更高的闭式容积调速回 路。根据静液压传动中排量是否可调可以分为 4 种 系统组合方式 1 定量泵一 定量马达 ； 2 定量泵一 变 量 马达 ； 3 变 量泵一 定量 马达 ； 4 变量泵一 变量 马 达 。这类系统 的主要特点是可无级调速 ， 调速范 围 宽， 没有节流调速的溢流能量损失， 系统不易发热， 可实现恒转矩或恒功率调速及传动效率高等。H S T 输出轴低转速区段的效率比液力传动要高出许多， 高效区亦较宽但在高速区段却不如液力传动和电 力传动， 这就决定了其主要用于速度较低的行走机 械。 目前静液压传动在装载机、 推土机 、 叉车 ， 以及 农业机械、 建筑机械等领域得到了广泛的应用。静 液压传动装置中多使用通轴式双向变量斜盘式轴 向柱塞泵 以下简称“ 通轴泵” 。通轴泵的变量控制 方式很多， 主要有手动伺服控制、 与压力有关的液 压控制、 与转速有关的液压控制、 转矩控制和电控 制 比例控制、 二位控制 等 ， 多功能阀也集成在泵 上。国外通轴泵近些年发展得很快， 品种规格齐全， 变量控制方式多样 ， 技术指标先进 ， 质量稳定 ， 工作 可靠。美国萨澳公司 9 O 系列通轴泵、 德国力士乐公 司A 4 V G系列通轴泵 以下简称“ A 4 V G泵” 和日 本 大金公司 2 0系列通轴泵在 国内工程机械上 已大量 应用。国内通轴泵生产起步较晚， 目前仅有中美合 资上海萨澳液压传动有限公司进行组装生产。原天 津特精液压股份有限公 司、 贵州 5 0 1 厂也小批量生 产 ， 但无论 品种规格 ， 还是生产数量与 国外先进 国 家相比尚有差距圆 。本文 以力士乐公 司 A 4 V G泵为 例对静液压传动的组成、 原理和基本 的调节方法进 行分析说明。 1 A 4 V G泵简介 A 4 VG泵是斜盘式轴 向柱塞变量泵 ，用于静液 压传动闭式回路， 流量与驱动转速、 排量成正比并 可无级变量 ， 可选择多种变量控制方式 ， 如手动、 液 压控制、 电比例控制等； 内置辅助泵用作补油泵和 控制泵。该系列柱塞泵代表了当今工程机械液压传 动技术的较高水平 ， 结构复杂 ， 制造精度高 ， 能实现 远程 自动控 制 。该 系列泵 额定 工作 压力 可达 4 0 M P a ， 最高压力可达 4 5 M P a ， 最高允许转速与排量 大小有关 ， 排量在 2 5 0 2 8 m L ／ r ， 转速为 2 4 o 0 4 2 5 0 r ／ m i n ， 广泛应用于建筑机械、 农业和农林机械、 路面 机械以及叉车、 起重机等机器上。 2 A 4 V G泵基本功能单位 A 4 V G泵的结构原理 图如图 1 所示 。A 4 V G泵 除了具有常规的柱塞泵元件外 ，还集成有补油泵 、 作者简介 于庆丽 1 9 7 9 一 ， 女， 山东泰安人 ， 讲师， 硕士， 研究方向 液压传动与控制。 一 4 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 2 1 1 ． 压力切断阀2 ． 补油泵3 ． 过滤器4 ． 补油溢流阀 5 ． 高压溢流阀6 ． 变量控制机构7 ． 变量活塞8 ． 泵本体 图 1 A 4 V G泵 结构原理 图 补油溢流 阀、 补油单向阀、 高压溢流阀、 压力切断 阀 和变量控制机构等[ 3 1 。 2 ． 1 压力切断阀 压力切断阀由一个外控式溢流阀和一个梭阀组 成 ， 梭阀检测并比较高压油管的压力 ， 当高压油管 的 压力达到外控式溢流阀的调定压力时 ，外控式溢流 阀打开， 使变量泵控制机构的控制油和油箱接通， 泵 的排量迅速接近于 0 ； 如果泵输出压力继续升高， 高 压溢流阀 5打开， 使泵在极小排量下溢流。 压力切断 阀在系统加速或减速时， 可以阻止高压溢流阀开启， 从 而防止系统经常出现高压溢流 ， 减少系统发热[4 1 。 2 ． 2 补油泵 补 油泵是 和主泵同轴相 连的小规格液压齿 轮 泵 ，它 的作用有 1 补充 闭式 回路泄漏油 ； 2 保证 泵 的吸油 口有一定的压力 ，改善泵 的吸油条件 ； 3 给泵变量控制机构提供恒压控制油源； 4 当使用 D A控制装置时 ， 可 以用来检测发动机的转速。 2 ． 3 过滤器 A 4 V G泵的过滤器可以使用集成式的也可以使 用 独立 式的 ，用 来对辅助泵输出 的液压油进行过 滤 ， 保证变量控制机构可靠工作。过滤器还可以选 配冷启动 阀， 用来保护泵 ， 当 由于油温过低等原 因 导致过滤器两端压差过高时 如大于 0 ．6 M P a ， 冷 启动阀打开，冷启动阀相当于一个旁通卸荷阀， 使 补油泵出口和油箱接通，系统建立不起控制压力 ， 主泵也就不会变量 ， 处于零摆角状态 ， 起 到保 护系 统的作用。 2 ． 4 补油溢流阀 补油溢流阀是一个低压溢流阀， 工作时处于常 开状态， 保证补油泵补油压力近似为一恒定值。 2 ． 5 高压溢流阀 每个 A 4 V G泵包括两套高压溢流阀，每套高压 溢流 阀包括 1 个高压溢流阀和 1 个补油单向阀 ， 高 压溢流阀通常是不开启的，正常情况下是在切断阀 起作用后，如果系统压力继续升高到高压溢流阀调 定压力， 高压溢流阀才会开启使泵在小排量下溢流。 补油单 向阀是补油泵给泵低压油路补油的通道。 2 ． 6 变量控制机构 变量控制机构用来控制变量活塞 的位移 ， 根据 变量结构的不 同， 可以实现液控、 手动伺服控制 、 D A 液压控制 、 电气两点控制和电气比例控制等方式 。 2 ． 7 变量活塞 变量活塞用来直接控制变量泵 的排量 ， 变量活 塞 的位移和泵的排量成 比例。 2 ． 8 泵本体 泵的本体和常用的斜盘式轴 向柱塞变量泵本 体相似， 在此不做详细说明。 3 A 4 V G泵排量控制原理 静液压传动 系统 中 ， A 4 V G轴 向柱 塞变量泵 的 控制方式有很多种 ，一般有 H D液控变量形式 ， H W 液压控制手动伺服形式，与转速相关的 D A液压控 制方式 ， D G液压控制方式 ， E Z 、 E P电气控制等方 式 ， 下面将对每种控制方式进行详细分析说明。 3 ． 1 HD液压控制 HD液控方式通过控制先导控制油 口 Y1 和 Y 2 之间的压力差值 P ， 来控制变量活塞的位移 ， 进而 控制变量泵 的排量。HD控制方式的原理 图如 图 2 所示 ， 当给定某一压差 P 值时 ， 变量伺服 阀阀芯动 作 ， 阀口打开 ， 控制油进人变量活塞的控制腔 ， 变量 图 2 液压控制原 理图 一 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 活塞在控制油的作用下运动， 变量活塞的运动位移 通过活塞 和比例 阀阀套之间的位置直接反馈 ， 使伺 服阀阀芯重新处于 阀口关闭状态 ， 切断进入变量活 塞的控制油 ， 使变量 活塞的位移量 和给定 的压差成 比例。因此 ， HD控制方式通过控制压差 的符号可 以 控制变量泵油液流向， 实现双向变量 ， 通过控制压 差的大小可以控制泵的排量， 使泵的排量和压差成 比例关系 。 3 ． 2 HW 手动伺服控制 H W手动伺服控制的原理图如图 3 所示，通过 调节泵体上操作杆的转动角度和转动方向来控制 变量活塞的运动方向和位移。泵的排量和操作杆的 转动角度成比例。变量活塞和比例阀阀套之间的位 置直接反馈原理与 H D液压控制方式相 同。 叫I f l Hl X 山 I I l l ，．； 乙一 、 ● ’ f 占 f ’‘ ’ i I 画 呻 l 图 3 H W 手动伺服控制原理 图 3 ． 3 D G液压控制方式 D G液压控制的原理图如 图 4所示 ，外部控制 油通过控制 口x1 或 X 2到变量活塞的控制腔 ， 变量 活塞的位移 即泵 的排量 在控制 口x1或 X 2处压 力油的作用下可 以在 0和最大排量之 间进行切换。 泵变量的方 向取决于控制油来 自xl口还是 X 2口。 图4 DG液压控制原理图 3 ． 4 E Z电气两点控制 E z电气两点控制的原理如图5 所示， 补油泵输 出的控制油经过三位四通电磁换向阀到变量活塞 --- 4 4- - 图 5 E Z电气两点控制原理图 控制腔， 通过改变电磁铁 a 和b的得电状态使控制 泵的排量在 0到最大排量之间进行切换 ， 不能实现 泵排量的无级调节。 3 ． 5 E P电气比例控制 E P电气比例控制 的原理图如图 6所示 ， 通过补 油泵输出的控制油经过 比例换 向阀到变量活塞的 控制腔 ，改变 比例电磁铁 a和 b的控制电流实现变 量活塞位移 即泵排量 的比例调节 对 电磁铁施加 某一特定电流时 ， 阀芯会在比例电磁铁 电磁力 的作 用下运动一定的位移 ， 阀 口打开 ， 变量活塞在控制 油 的作用下开始动作 ， 变量活塞 的运动位移通过活 塞和比例阀阀套之间的位置直接反馈， 使伺服阀阀 芯重新处于阀口关闭状态 ， 切断进入变量活塞的控 制油 ， 使变量活塞 的位移稳定在和 比例 电磁铁的电 磁力 即控制电流 成比例的位置。 图 6 E P电气比例控制原理图 3 ． 6 DA转速敏感控制 D A转速敏感控制的原理图如图 7所示 ，补油 泵输出的控制油经过 D A阀、电磁换向阀到变量活 塞 的控制腔。D A阀输 出的控制油压力和原动机 的 转速成正比，而变量活塞的位移和 D A阀输出的控 制油压力成正比， 因而实现 了原动机转速 和泵 的排 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图7 D A转速敏感控制 量之间的正比例关系。通过使用带有 D A控制功能 的变量泵可以方便地组成静压“ 自动变速机构” ； 通 过“ 加大油门” 将原动机转 速提高 ， 以使车辆开始行 驶 ； 当行驶阻力增大时 例如 爬坡 ， 为 了使原动机 不致过载 ， DA控制会调节行驶速度 ， 使之与发动机 的可用功率相匹配； 同理， 因工作机构同时工作而 需消耗原动机的一部分功率时， 也会产生同样的效 果， 即防止发动机过载或避免发动机熄火。 D A阀是实现 D A控制的关键 ， 为 了进一步说明 D A控制的原理 ， 下面对 D A阀的工作原理进行详细 说明。图 8是 D A阀的结构原理图 ， D A阀能够实现 防止发动机过载或避免发动机熄火 的前提是原 动 机具有当其接近最大功率时， 转速就开始下降这一 特性 ； D A阀对原动机转速 的检测是通过检测原 动 机直接驱动的定量补油泵的流量来实现的。 V ／ P／ ／ ／ H ／ ． J 1 0 l一 J r l／ ／ ／ ／ ， ／ ，／ 7 l ／／ | P l八 Q 3 Q ／ 4 V 一 _ I “／ ／ r／ ／ _／ ／ ／ ／ l 1 ’ r 。 身 ； Y／ ／ ／ ／ I I I ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ A ； ； “／ ／ ／ ／ , 1 ． 控制器孔板2 ． 控制阀口3 ． 孔板阀芯组件4 ． 弹簧 图 8 D A 阀的结构原理图 如 图 8所示 ， 定量泵输 出的和原动机转速成正 比的流量在控制器孔板 l 上形成压差 A p p 一 p 。 此 压差影响孔板阀芯组件 3 的平衡位置和控制阀口2 的开度 ， A 口输 出的控制油经 电磁换 向阀到变量活 塞控制腔。控制油的压力P ， 作用在面积为} D 的孔板 阀芯组 件的环形 面积上 输 出的反 馈力 ， 方 向从左到右 ， 与控制器孔板 1前后压差所 产生的从右向左的输入力等相平衡 ， 从而决定孔板 阀芯组件 3的平衡位置i s ] 忽略阀芯上稳态液动力 、 黏性摩擦力等的影响时， 阀芯工作的稳态平衡条件 为[ 6 】 Ap 1 DZ p 3“ 1 1 『 d 2 1 式中 为弹簧力 。 由式 1 可得 Ap I q T D 一 p 3 一 2 p 3 一 ， 竹 D 一 斗 控制器孔板 1 上节流 口为薄壁小孔 ， 节流 口处 的压差与介质黏度无关， 该节流口的压力流量特性 公式为 Q c V a p 2 一 3 式 中 Q为 D A阀的入 口流量 ； c d 为阀 口的流量 系 数 ； A为阀口的通流面积 ； p为液压油的密度。 根据 以上各式可得 Ap p Q 2 4 把式 4 代入式 2 得 p Q 2 D 2 一一 p 3 5 , r r D 2 - d z 由以上各式可以看出 ，当 Q增加时 ，压差 Ap 增加 ， 阀芯左移 ， 控制 阀口 2开 口增 大 ， 控制压力 P ， 上升 。 在面积差产生的反馈力的作用下 ， 阀芯平衡在 一 个新的位置。反之， 当 Q下降时， 压差 A p下降， 阀芯右移， 控制阀口2 开口减小 ， 控制压力P ， 下降。 这样便得到一个与流量 Q的平方成 比例的控制压 力P ， ， 又因 Q与传动转速成正比， 因而得到P ， 与原 动机转速成正比例关系。 D A转速敏感控制还可以实现寸进功能，即使 发动机转速较高时， 车辆也能缓慢地行驶。 A 4 V G泵 实现寸进功能的常用方式有 3 种 1 可调杠杆； 2 一 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 节流阀； 3 减压阀。图 9 是使用节流阀来实现寸进 功能的原理图。 节流阀和 D A阀组成液压半桥 ， 通过 改变节流阀的开 口可以实现变量活塞控制腔压力独 立于原动机转速的调节 ， 此时泵的排量取决 于寸进 节流阀的开 口大小 ， 而不受原动机转速的影响。 图 9使用节流 阀实现寸进功能的原理 图 D A调节阀也可用 于带传统控制装置的泵 ， 如 E P ， H W和 H D系列泵， 使泵具有防止发动机失速的 功能， 或具备 自动行驶和排量控制的功能用 。 4 A 4 V G泵的应用实例 图 l O 是某工程机械的行走系统原理图， 该行走 系统是一个 由 A 4 V C AO E P型泵 1和 A 6 V E 8 0 E P型 马达 5 构成的变量泵一 变量马达静液压传动系统。 A 4 V G 4 0 E P泵采用 E P控制方式来实现泵排量和输 入电流的比例调节 ， A 6 V E 8 O E P型马达排量 的调节 原理同 A 4 V G 4 0 E P型泵 ， 马达上还集成了冲洗 阀 6 。 冲洗 阀由选择阀 2 、 溢流阀 4和一个固定的节流孔 3 1 ． A 4 V G 4 0 E P型泵2 ． 选择阀3 ． 固定节流孔4 ． 溢流阀 5 ．A 6 V E 8 0 E P型马达 6 ． 冲洗阀 图1 O 某工程机械的行走系统液压原理图 - - 46- -- 组成。 选择阀的作用是选择闭式系统的低压侧， 溢流 阀的作用是保证补油系统的最低工作压力，节流孔 的作用是限定冲洗流量。来 自回路低压侧的液压油 经节流孔形成稳定的流量，流入液压泵或马达的壳 体中， 然后与壳体泄漏油一起流回油箱。 从闭式回路 流走 的油液必须 由补油泵补充 的冷却后的油液取 代。 此外， 冲洗阀的另外一个作用是对壳体中的杂质 进行冲洗 ， 洁净闭式系统。 冲洗阀中溢流阀的调定压 力一般 比补油溢流阀的调定压力低 0 ． 1 0 ． 2 M P a ， 在 A 6 V E 8 0 E P型马达中一般取 1 ． 6 MP a 。 5 结论 静液压传动由于技术先进 ， 性能优越 ， 在国内 外中小型装载机、叉车和起重机等的行走驱动系统 中得到了广泛 的应用 ， 具有很好 的发展前景。 A 4 V G 系列泵是静液压传动中一种较为常用的泵， 结构复 杂 ， 集成多种液压控制阀， 可避免超载 ， 根据客户需 求可配置不 同的控制方式 ， 自动化程度高 ， 能实现远 程遥控操作，作为静液压传动闭式系统的动力元件 是当今世界筑养路机械 、 港 口机械 、 混凝土泵送机械 首选柱塞泵 。掌握 A 4 V G系列泵的工作原理和变量 控制形式对设计和维护静液压传动系统具有一定的 意 义。 参考文献 [ 1 ]1 J B ／ T 1 0 8 3 1 2 0 0 8 静液压传动装置【 s ] ． [ 2 ]吴元道． 工程机械静液压传动装置[ J 】 ．液压气动与密封， 2 0 0 2 4 4 6 4 8 ． [ 3 ]3 R E 9 2 0 0 3 ／ 0 6 ． 0 9 A x i a l P i s t o n V a ri a b l e P u m p A 4 V G D a t a s h e e t [ M 】 ． 2 0 0 6 ． [ 4 1 刘明安． R e x mt h A 4 V G系列轴向柱塞泵结构与原理分析 f J 】 - 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